Christian Eurich
LIS / Kippenberg-Gymnasium
Institut für Theoretische PhysikUniversität Bremen
Die Interpretation von HirnsignalenEin aktuelles Thema für deninterdiziplinären Unterricht
Inhalt
Teil I:Neurowissenschaften heute – Chancen und Risiken(Relevanz; Biologie)
Teil II:Mathematische Aspekte
Teil III:Ein Projekt in Klasse 12
Teil I: Die Neurowissenschaften heute
Wissenschaft, die sich mit dem Aufbau, der Funktionsweise undden Leistungen von Gehirnen beschäftigt
Neurowissenschaften
Medizin
Biologie
Psychologie
Physik
Mathematik
Informatik
Ingenieur-wissenschaften
Philosophie
Jura
Ein Thema für die Schule?
Bildungsgehalt dieses Themenkomplexes?
Neurowissenschaften: Von der Grundlagenforschungzu Anwendungen
An der Schwelle zu einer Spitzentechnologie (vgl. Genetik)!
Große Chancen, viele Risiken und offene Fragen
Die Entschlüsselung von Hirnaktivität
Wie werden im Gehirn Informationen verarbeitet?Gebiet der neuronalen Kodierung
Heute: Entwicklung von Brain-Computer-Interfaces
Gabriel Curio (Charité)
Klaus-Robert Müller (Fraunhofer)
Das Gehirn / Nervenzellverbände
Zeichnung von S. Ramón y Cajal
Nervenzellen (Neuronen)
Zellkörper
Dendriten
Nerven-faser
Synapse
Aktionspotentiale (Spikes)
Elektrische Impulse in der Nervenfaser
Nervenfaser
Im Modell:
Messung der Aktivität von Zellen
Mikroelektroden
Heute: > 100 Zellen gleichzeitig
(Hoag 2003)
Serie von Aktions-potentialen (Spiketrain)
Arbeitsprogramm
Zusammenhänge zwischen Hirnaktivität und Wahrnehmung,Handlungen und inneren Zuständen
Beispiel: Handbewegungen
Wessberg et al., Nature 408 (2000) 361
Beispiel: Armbewegungen
Wessberg et al., Nature 408 (2000) 361
Beispiel: Armbewegungen
Chancen: Motorische Neuroprothesen
E. N. Brown, Harvard Medical School
Robotersteuerung funktioniert auch ohne realeHandbewegungen...
Risiken: Militärische Anwendungen
DARPA
DARPA
National Science Foundation /
Department of Commerce,
Conference „Converging Technologies
for Improving Human Performance“, 2002
„Roborat“
Chronische Implantation von Elektroden:rechter/linker somatosensorischer Cortex – Tastreizemediales Vorderhirnbündel – Belohnungen
Ratten können sich frei bewegen
Training der Tiere: Stimulation derElektroden als Befehl zur Bewegung;Konditionierung durch Belohnungs-reize
Talwar et al., Nature 417 (2002) 38von DARPA gefördert
„Roborat“
Resultat: Bewegung aufkomplexen Wegen inkl.Klettern und Springen
Durch MVB-Stimulationwerden die Tiere„motiviert“
Bewegung auch in Gelände, das dieRatten normalerweise meiden(z. B. helle, offene Flächen)
Anwendungen
„[...] a guided rat can be developed into an effective `robot´ […]“
Suche nach Verschütteten
Minenräumung(!)
Spionage
Prof. Shimoyama, Bio-Robot Research Team, Tokyo University: „Roboroach“
Kakerlake mit Implantat
Associated Press, Juli 2001
Teil II:Mathematische Aspekte
Das stochastische Gehirn
Reaktion einer Nervenzelle istnicht immer gleich!
(Daten von S. Mandon)
Neuronaler Code: Zähle bei jederVersuchswiederholung dieAnzahl der Aktionspotentiale
Rekonstruktion von Reizen indrei Schritten:1. Messung der Statistik der Neuronen2. Eine einzelne Messung bei unbekanntem Reiz 3. Schätzung des Reizes
Wahrscheinlichkeitsrechnung (Kl. 12)
Zufallsexperiment:Messung (bei geg. )
Elementarereignisse: 0, 1, 2, ... , n Aktionspotentiale
Absolute / relative Häufigkeiten
Schritt 1: Statistik eines Neurons
Modellierung der Statistikbei bekanntem Mittelwert np:Binomialverteilung
Schritt 1: Statistik eines Neurons
Binomialverteilungenfür verschiedene Winkel verschiedene Werte von p
Schritt 1: Statistik eines Neurons
p
p
Schritt 2: Eine Messung
Durchführung einer einzelnen Messung mit unbekanntemReiz
Resultat z. B.: k=5 Aktionspotentiale
Schritt 3: Rekonstruktion
Schätzung von für die Messungk=5:
Trageals Funktionvon auf:
Die Stelle des Maximumsliefert den Schätzwert!Maximum-Likelihood-Schätzung
Teil III: Projekt in Klasse 12
Projektarbeit zweier Schüler
Fächer: Biologie, Mathematik, Deutsch
Erarbeitung des biologischen Hintergrundes
Erarbeitung der grundlegenden Schätzmethode
Projekt in Klasse 12
Besuch zweier Uni-Institute:
Institut für Institut fürT‘heoretische Physik Hirnforschung
Projekt in Klasse 12
Auswertung von Original-Daten
Erörterung überTierversuche
Zusammenfassung
Neurowissenschaftliche Forschung istaktuell und gesellschaftlich sehr relevant
Neurowissenschaftliche Themen gehörenzum Teil zu den „normalen“ Curricula;fächerübergreifender Unterricht istnotwendig
Selbst neueste Forschungsergebnisse lassensich - quantitativ! – im Rahmen derSchulmathematik/-biologie behandeln
Stellenausschreibung
Postdoctoral position in neurobiology / engineering in Woods HoleA 4-year DARPA research project, funded annually, to steer the behaviorof sharks in the natural environment through stimulation of selectedsensory brain areas. Expertise in brain stimulation, multi-electroderecording and neural data analysis most desirable. Interfacing withwireless data transmission and stereotactic electrode positioning.Send applications and inquiries toJelle Atema, PhDProfessorBoston University Marine ProgramMarine Biological LaboratoryWoods Hole, MA 02543
Connectionist List, 30.6.2005
